严寒及寒冷地区建筑用能强度指标及室内环境营造技术适用性研究

魏香玉　陈永良　陈宇红　王丽　卫松

摘 要：采用仿真研究方法，研究严寒及寒冷地区的建筑物用能强度控制技术和室内环境营造技术的关联特征。研究发现，增加建筑物单层面积可以有效提升该控制能力，且证实北方地区可以在同等建筑物用能强度控制需求下使用全玻璃幕墙结构，有效增加建筑物套内面积占比。

关键词：用能强度;室内环境;套内面积;墙体隔热能力;窗体隔热能力

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）04-0146-03

Abstract： With the method of simulation， the correlative characteristics of building energy intensity control technology and indoor environment construction technology in cold regions are studied. The study found that increasing the single floor area of the building can effectively improve the control ability， and confirmed that the northern region can use the full glass curtain wall structure under the same building energy intensity control demand， which can effectively increase the proportion of the built-in area.

Key words：  energy intensity; indoor environment; interior area; wall heat insulation capacity; window heat insulation capacity

中國北方地区每年存在数十天时间最高气温在-10℃以下，平均气温在-18℃以下，此时建筑物的保暖工作用能强度指标的实现技术直接关系到建筑物的宜居性。而室内环境营造技术是该用能强度指标的实现技术的核心实现路径。

根据住建部及其他相关部门的具体要求，冬季居室供暖温度需要保障室温在18℃以上，即室内外温差需要达到30℃。此时除布局集中供能水暖系统外，还应加强建筑物的隔热保温性能，此时增加墙体厚度、增加隔热夹层、使用多层中空玻璃等室内环境营造技术，确保建筑物的供热用能受到有效控制。

该研究对不同形式建筑隔热技术条件下的建筑用能强度指标变化特征进行分析，寻找最大建筑物套内面积率的建筑物用能强度控制方案。

1 墙体结构与套内面积率

北方低温地区的建筑物，外墙部分使用专门设计的隔热墙体，而内墙的承重墙结构和非承重墙结构与南方非低温地区的墙体结构基本一致。而建筑物的室内环境营造技术受到墙体厚度的影响，特别对其套内面积占比的控制目标是其重要技术目标。受到早期粘土治砖技术的影响，多参照标砖尺寸进行设计，标砖尺寸为240 mm×120 mm×60 mm，即单砖墙厚度120 mm，双砖墙厚度240 mm，附属保温措施为聚苯烯板（标准厚度80 mm），发泡水泥涂层（标准厚度50 mm），普通砂浆涂层（标准厚度20 mm）。所以，该地区保温墙体的常见构造如表1所示。

由表1可知，发现建筑物保温外墙的厚度在470～710 mm，考察4种常见建筑物平面，分别为双通道一梯三户结构下的12 m×55 m结构，建筑面积660 m2，三通道一梯两户结构下的11 m×72 m结构，建筑面积792 m2，商业房结构下的9 m×35 m结构，建筑面积315 m2，商业主楼结构下的25 m×45 m结构，建筑面积1 125 m2。所以，该地区常见建筑物平面条件下的建筑面积与套内面积的分布情况如表2所示。

表2中，相同墙体厚度条件下，单层建筑面积越大，套内面积率越高，当单层建筑面积达到1125 m2时，建筑套内面积率达到91.2%～94.1%。但此套内面积并不包括建筑物内墙，内承重墙一般采用厚度240 mm的双砖墙，非承重墙一般采用厚度120 mm的单砖墙。

2 不同温差下墙体结构与保温窗结构对用能强 度的影响

建筑物用能强度的工程学意义为每平方米建筑面积的供热能耗，北方地区的冬季供热一般采用蒸汽热能，蒸汽热能一般来自火电厂锅炉余热，可以折算为W/m2的用能强度。所以后续研究在ANSYS仿真环境下对不同室内环境营造使用的隔热结构对建筑物用能强度的影响。

2.1 墙体结构影响

研究前文表1及表2中的4种隔热墙，分析不同温差条件下的保温墙结构在不同温差条件下的用能强度特征曲线，如图1所示。

图1中，更厚的墙体结构对建筑物在不同室内外温差条件下的用能强度指标特征曲线有直接影响，其中，室内外20℃温差条件下，用能强度最大值和最小值为3.5 W/m2和11.3 W/m2，差值为7.8 W/m2，墙体厚度最大的双砖双夹层墙用能强度为单砖双夹层墙的31.0%，室内外35℃温差条件下，用能强度最大值和最小值为9.8 W/m2和25.1 W/m2，差值为15.3 W/m2，墙体厚度最大的双砖双夹层墙用能强度为单砖双夹层墙的39.0%。

2.2 保温窗结构

北方地区的常见保温窗结构主要为2层夹胶钢化玻璃中间构筑8～10 mm厚的真空隔热层，该结构可以避免保温窗内外的热交换，但无法避免热辐射过程。所以，该研究仅研究一种最常见保温窗结构，即两层夹胶钢化玻璃层厚度均为12 mm，中间真空层厚度为10 mm。该保温窗在不同室内外温差条件下对用能强度的影响特征曲线如图2所示。

图2中，室内外温差20℃条件下用能强度指标为4.9 W/m2，室内外温差35℃条件下用能强度指标约为12.4 W/m2，将该图数据与前文图1数据进行对比，发现该保温窗结构的保温效果略低于厚度710 mm的双砖双夹层墙体，但较其他形式保温墙体的保温性能更强。所以，以往受制于建筑物保温技术在北方地区通过增加外立面墙体结构面积占比且压缩窗口面积占比的方式已经存在足够的技术积累，使用保温窗双层夹胶钢化玻璃作为玻璃幕墙的全幕墙结构建筑可以在北方地区实现大温差条件下的建筑物用能强度控制。

3 低用能强度需求下的建筑物室内环境营造技 术策略

综合上述分析，与南方地区常用的240 mm外墙和大规模使用的玻璃幕墙相比，北方建筑物保温墙体厚度470～710 mm的技術条件，会严重影响建筑物套内面积率，影响建筑物室内环境，且影响建筑物的宜居性。而该研究发现基于双层夹胶钢化玻璃真空结构幕墙对用能强度的影响能力仅次于厚度710 mm的双砖双夹层结构墙体，但强于厚度630 mm的双砖单夹层结构墙体。所以，该研究提供了两个室内环境营造技术导向：

（1）北方低温地区可以使用全玻璃幕墙结构。玻璃幕墙除使用厚度更大的夹胶钢化玻璃，减少玻璃幕墙真空层的气压，使用镀膜技术增加玻璃幕墙对室内来源的红外线和远红外线的反射率，增加幕墙对室外来源的光线透过率。此时可以进一步增加全玻璃幕墙的保温性能，有效控制建筑物的用能强度。

（2）增加单层建筑面积可以提升建筑物套内面积占比。如果建筑物墙体厚度不能被有效控制，那么，根据前文仿真分析，建筑物外墙占用面积呈线性关系增加，而建筑物建筑面积和套内面积呈二次方关系增加，此时增加建筑物单层面积，可以有效提升建筑物套内面积占比，建议建筑物单层面积超过1 000 m2时，可以得到更高的经济性。

4 总结

该技术体系对建筑物室内环境的营造路径，包括对建筑物墙体压占面积的控制技术和不同结构的建筑物外墙条件在不同室内外温差条件下的保温能力及其对建筑物用能强度的控制能力。增加建筑物单层面积可以有效提升该控制能力，且证实北方地区可以在同等建筑物用能强度控制需求下使用全玻璃幕墙结构，有效增加建筑物套内面积占比。

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